碎冰条件下冰区船阻力性能试验研究

为了探究碎冰条件下冰区船试验方法和实船阻力预报方法 ,研究碎冰条件下冰区船舶阻力随速度变化规律,以及阻力随密集度变化规律,采用非冻结模型冰在拖曳水池中开展了4种密集度(60%、70%、80%、90%)工况下阻力试验。试验结果表明:随着碎冰密集度的增加,船模与碎冰的遭遇频率向更高速度点转移;碎冰密集度不同,船模总阻力不稳定区也不同;船模总阻力随着碎冰密集度的增加而增加;根据加拿大海洋技术研究所的Colbourne实船转换方法,预报了实船在1.05 m和2.0 m冰厚时的总阻力。     

冰区航行船舶碎冰阻力预报数值模拟方法

随着越来越多的国家认识到北极地区巨大的潜在价值,冰区船舶的性能研究和设计工作也愈发的为人们重视。为了研究冰区船舶在碎冰区域内的航行阻力,运用Ls-dyna软件的罚函数算法和流固耦合算法对冰区船舶在碎冰中航行过程进行了数值模拟,分别计算了60%、80%和90%碎冰密集度下4个速度点的船-冰作用力。在船模拖曳水池非冻结模型冰试验的基础上,对数值模拟结果进行分析评估。认为数值模拟结果在较低速度条件下在定性上与试验结果比较符合,数值模拟方法在冰区船阻力性能研究工作中有着重要的参考价值。     

主应力方向对隧道稳定性影响规律的研究

采用模型实验方法和数值模拟方法探究了马蹄形隧道在不同方向主应力作用下围岩从初始损伤到完全破坏的全过程,归纳分析马蹄形隧道在不同方向主应力作用下的破坏规律。数值模拟方法采用最大拉应变准则,计算出隧道周边各点的相当应力,与模型实验结果吻合较好。结果表明,马蹄形隧道裂纹的产生和扩展大致沿主应力方向,马蹄形隧道围岩的破坏模式随主应力方向而改变。破坏应力的最大值出现在主应力与隧道成60°左右时,破坏应力的最小值则出现在主应力与隧道成45°左右和90°左右时,且45°左右方向的破坏应力与90°左右方向的破坏应力基本相同。     

冲击荷载下大型LNG储罐混凝土外罐的数值模拟

为获得大型全容式LNG储罐混凝土外罐在冲击荷载作用下的动力响应及其规律,本文基于LNG储罐实际工程,以ANSYS/LS-DYNA有限元软件为分析平台,建立了LNG储罐混凝土外罐在冲击荷载作用下的精细化有限元数值模型。以"战斧"巡航导弹为冲击物,分析了储罐结构的内力、变形及其规律,并总结了冲击荷载作用下结构的失效模式。结果表明:冲击荷载下,本文的数值模拟方法及其适用性通过混凝土靶板冲击试验结果得到验证;罐壁处预应力钢筋的布置可以增强其抗冲击能力;LNG储罐混凝土外罐冲击破坏分为局部凹陷、混凝土表面剥落和击穿破坏三种类型;冲击荷载下储罐穹顶与外罐壁、外罐壁与底板连接处为薄弱位置,为储罐结构抗冲击防御设计提供了依据。     

船舶碎冰区斜航运动的水动力导数预报

目前敞水水动力导数的研究较为成熟,冰水耦合后的船舶水动力导数研究尚处于起步阶段。为求解碎冰工况下冰水耦合后船舶斜航运动水动力导数,使用CFD软件STAR-CCM+中DEM颗粒模拟碎冰粒子,开启DEM模块下双向耦合模式,通过动量、能量交换达到冰块与水耦合作用,并选用小漂角工况分别为0°、2°、4°、6°、8°进行了斜航运动数值模拟。忽略自由液面的影响。分别计算敞水工况以及碎冰工况下船舶所受的侧向力以及转艏力矩,通过对各漂角下无因次后的力以及力矩拟合从而求解出各个水动力导数。考虑冰块的干扰具有随机性所以采用干扰后的力以及力矩最大值以及最小值分别求解对应的水动力导数,形成一个水动力波动区间,更为真实地预报冰水耦合下的船舶水动力导数。通过计算结果表明,敞水工况下船舶各部分水动力导数值与模型统计公式计算值相差不大,冰水耦合后部分水动力导数波动区间端点值出现正负,冰水耦合后水动力导数随机性较大。     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了模拟冰桨相互作用下的冰桨碰撞情况,本文构建了一种冰桨干扰模型。通过利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,并得出了冰块的运动轨迹。在计算过程中,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。本文结论可为冰区螺旋桨设计及校核提供一定参考。     

单轴压缩下预制裂纹岩石的数值模拟

为了研究单轴压缩作用下预制裂纹对岩石的力学性能、声发射和能量演化的影响,通过室内试验数据反演PFC2D模型的力学参数,然后在数值模拟的基础上分析不同倾角和长度的预制裂纹对岩石力学特性的影响。结果表明：预制裂纹倾角越大,岩石的峰值应力和峰值应变越大,而弹性模量和变形模量也会随着倾角的增大而增大;预制裂纹长度增加时,峰值应力、峰值应变、弹性模量和变形模量不断减小。在预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°时,微裂纹计数波动较大,在60°,75°,90°时计数较为稳定。预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°,60°时,裂纹以翼型裂纹扩展为主,在75°和90°时,并没有出现翼型裂纹,而是在岩体上出现大量的微破裂,在轴向应力的作用下,这些微破裂逐渐贯通,造成剪切破坏。预制裂纹倾角在0°,15°,30°,45°时岩石内部损伤的出现早于60°,75°,90°的,并且弹性储能极限随着预制裂纹倾角的增大而增大。     

冰对水工结构物作用力的物理模拟—Ⅲ.冰对结构物撞击作用力模拟实例

当流冰质量小,运动速度低时,具有的动能也小,其对结构物的作用形式是撞击,而不是挤压.为了合理设计渤海近岸码头排桩承受的冰力,利用DUT-1模型冰和实验室设备物理模拟水流带动模型冰块以一定速度撞击码头排桩模型,获得作用于一榀码头排桩上单桩或同时作用于群桩上的试验冰力.系列试验结果表明上限冰力值随流冰压缩强度和动能增加而增加,并趋向一定值.通过数学统计拟合,得到作用在单桩上的上限冰力同流冰动能和压缩强度之间的试验关系.该关系将流冰的面积、厚度、密度、运动速度、压缩强度同单桩上的上限冰力结合起来,能够作为流冰对单桩设计冰撞击力的基础,具有普适性意义.此外,结合渤海具体码头工程,用该试验成果评估作用在一榀码头排架单桩上和整体排架结构上的原型冰力.     

大型失控车辆与隧道衬砌的动态相互作用与损伤分析

基于动力有限元法模拟不同碰撞条件下隧道衬砌与大型车辆的动态相互作用,研究车辆与隧道结构在撞击作用下的动态响应。结果表明:在碰撞角度相同的情况下,隧道衬砌拉伸损伤值随车速的增大而增大;在失控车速相同的条件下,拉伸损伤值随碰撞角度的增大而增大;碰撞速度与角度越大,则车内人员受到的加速度越大,损伤越严重。对我国京沪高速公路上的蟠龙隧道碰撞事故(2009年)进行了数值模拟,对比分析发现数值模拟结果与蟠龙隧道碰撞事故后衬砌的表观信息及超声波探测结果有很好的一致性,碰撞后损伤区域的混凝土渗透系数明显增大,表明碰撞后衬砌发生漏水的几率明显增大。     

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒"U"型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈"S"型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.     

流动冲击角对流体绕流管束换热的影响

运用计算流体动力学软件FLUENT,对流动冲击角分别为45°、60°、75°和90°,流体绕流6排87根错排管束下的换热进行三维数值模拟.管束的纵向和横向管间距分别为9.5 mm和11 mm.考查管束的平均换热努赛尔数和模型进出口压降,并与茹卡乌斯卡斯的实验关联式进行对比.当雷诺数为5 000~20 000时,给出4种流动冲击角下管束换热努赛尔数的拟合公式,并对管周向局部换热特点进行细观分析.结果表明:湍流边界层在周向夹角为大约105°时从管壁面分离,此时换热最差;流动冲击角越大,管束的平均换热努赛尔数和模型进出口压降越大;流动冲击角为45°时综合换热性能较好.     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了更加真实地模拟冰的运动,本文构建了一种冰桨干扰模型,利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算了无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,在此基础上得出了冰块的运动轨迹。计算时,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据计算结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了更加真实地模拟冰的运动,本文构建了一种冰桨干扰模型,利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算了无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,在此基础上得出了冰块的运动轨迹。计算时,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据计算结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了更加真实地模拟冰的运动,本文构建了一种冰桨干扰模型,利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算了无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,在此基础上得出了冰块的运动轨迹。计算时,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据计算结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。     

落石冲击对山区桥梁墩柱破坏的影响

为了研究落石冲击作用对山区桥梁墩柱破坏的影响规律,采用Holmquist—Johnson—Cook损伤本构模型构建了数值模型,并展开非线性显式动力分析,基于能量守恒原理检验了计算结果的数值稳定性。考虑了落石冲击高度、冲击速度、水平冲击角度和落石直径等影响因素,从体积损伤率和墩柱位移两个角度研究了各种因素对墩柱冲击破坏的影响。数值模拟结果和试验测试的加速度历程、破坏特征进行了对比,证明了数值模拟的合理性。研究结果表明,HJC本构模型能较好模拟钢筋混凝土墩柱在落石冲击作用下的破坏发展,在高能量冲击作用下,石块直径和冲击速度对墩柱破坏影响相对较大。     

车轮90°冲击试验的仿真分析和多目标优化设计

建立了16英寸组装式车轮90°冲击试验仿真模型,综合考虑车轮的材料特性、结构参数和90°冲击性能,提出了车轮多目标轻量化设计方法。分析了冲锤正对轮辐窗口冲击和冲锤正对轮辐气门嘴窗口冲击工况下,车轮轮辋和轮辐的塑性应变和变形量。利用网格变形技术建立组装式车轮90°冲击参数化模型并定义设计变量,以质量和90°冲击各项性能为优化目标,使用Isight优化平台集成DEP-MeshWorks和LS-DYNA软件进行最优拉丁超立方设计和Hammersley设计,拟合目标响应值的Kriging近似模型并验证其精度,采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对车轮进行了多目标优化设计。优化得到的组装式车轮与同型铸造铝合金车轮相比,质量减少了28.28%。依据车轮90°冲击试验标准,对优化后的车轮进行试验,对比车轮各测点等效应变和最大加速度的仿真与试验值,得出车轮90°冲击仿真结果精度较高。     

冰冲击荷载试验研究

破冰船在破冰航行过程中与冰的作用速度已经超出了传统冰压缩强度试验的范围,为探究撞击作用下冰的破坏机制,于2019—2020年冬季在辽东湾滨海咸水湖取冰,使用自行研发的冰冲击试验机分别在5种冲击速度(1.2、2.5、3.1、3.6、3.9 m/s)、3种冲击头形状(圆盘形、半球形、楔形)以及9种冲击头尺寸(每种形状的冲击...     

大跨越钢管塔双平臂抱杆的风致响应

基于风洞高频天平测力试验,获取抱杆结构在不同风向角和平臂姿态条件下的体型系数;建立施工全过程中典型工况下双平臂抱杆有限元模型,计算得到抱杆结构在多种施工工况和不同风向下的动力时程响应和风振系数,并与高耸结构设计规范的风振系数取值进行比较分析. 结果表明,对于抱杆杆身部分,基于时程分析的风振系数结果沿高度变化规律比规范风振系数更加复杂;对于第一道腰环拉索以上部分,即抱杆顶部悬臂部分,规范给出的风振系数较为保守,显著大于时程分析方法风振系数. 对于抗风最不利工况,抱杆顶部在0°和45°风向角下的时程风振系数分别达到3.05,2.24（45°x向）和2.28（45°y向）.     

新型前纵梁结构碰撞吸能特性分析

为使汽车前纵梁在高速碰撞过程中吸收更多能量,减少人员伤害程度,将一种新型的螺纹剪切吸能结构应用于汽车前纵梁结构之中。给出新型结构的同时,利用斜刃冲击剪切板材方法对其吸能机理进行分析,结果表明能够满足不同质量和不同速度下的汽车碰撞要求。通过有限元方法,分析所研究的结构,其力学特性良好,能量可以被良好地吸收,结构简单,对于以更高的速度碰撞,预测其可行性。通过速度和减速度变化曲线,说明碰撞过程连续、平稳,造成的波动很小,降低乘员在碰撞过程中由于碰撞过程不平稳造成的损伤。     

流冰作用下松花江公路大桥位移响应分析

根据1999年春季对松花江公路大桥3号桥墩动冰压力实测得到的两条完整河冰动压力时程曲线,采用有限元方法计算分析了松花江公路大桥在静、动流冰压力作用下的位移响应,并与按现行公路桥涵设计规范方法进行计算的结果作了比较,表明流冰对粗壮钢筋混凝土实体重力式桥墩的位移响应很小,一般可不考虑动冰压力引起的振动效应.